(57)【要約】【課題】貯湯槽内の温度分布を改善し、効率の高い運転を可能にする給湯機を提供する。【解決手段】貯湯槽１と、前記貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２と、前記加熱手段２に前記貯湯槽１内の湯水を前記貯湯槽１の下部から供給する第一の配管１１と、前記加熱手段２から加熱後の湯を前記貯湯槽１に戻す第二の配管１２とを備え、前記第二の配管１２は、流路切換手段１３を介して、前記貯湯槽１の上部と略中間部とに接続する構成としたことを特徴とする給湯機で、沸き上げ時に効率低下の原因となる中温水を、沸き上げ運転開始当初に沸き上げた湯を利用して大幅に減少させることができるので、効率の高い運転状態を維持し、省エネルギー性が向上するという効果がある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続する構成としたことを特徴とする給湯機。
【請求項２】
貯湯槽の水温を検知する貯湯槽温検知手段と、制御手段とを備え、前記貯湯槽温検知手段の検知温度に基づいて、流路切換手段の動作を制御することを特徴とする請求項１記載の給湯機。
【請求項３】
貯湯槽温検知手段を貯湯槽の高さ方向の略中間部に設け、加熱手段で加熱された湯水の温度が、前記貯湯槽温検知手段で検知された温度よりも高い場合には、流路切換手段を第二の配管のうち前記貯湯槽の略中間部に接続された配管と連通させ、前記加熱手段で加熱された湯水の温度が、前記貯湯槽温検知手段で検知された温度以下の場合には、前記流路切換手段を第二の配管のうち前記貯湯槽の上部に接続された配管と連通させる構成としたことを特徴とする請求項２記載の給湯機。
【請求項４】
加熱手段を、ヒートポンプサイクルとしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の給湯機。
【請求項５】
ヒートポンプサイクルは、運転時、超臨界圧力に昇圧される超臨界冷媒回路であることを特徴とする請求項４に記載の給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸き上げた湯を貯湯槽に貯えて使用する給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の給湯機は、例えば図４のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載された従来の給湯機を示すものである。
【０００４】
図４に示すように、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２を設け、貯湯槽１の上部に接続された出湯管３と、貯湯槽１の下部に接続された給水管４と、この給水管４から分岐された給水バイパス管５と、出湯管３からの湯と給水バイパス管５からの水とを混合する第１混合弁６と、貯湯タンク１の中間部に接続された中間出湯管７と、給水バイパス管５途中に設けられ給水バイパス管５を流れる水に中間出湯管７からの湯を混合する第２混合弁８と、給湯設定温度を設定する給湯温度設定手段９と、給湯設定温度の湯を供給すべく第１混合弁６および第２混合弁８の混合比率を調整する制御部１０とを設けた構成としている。
【特許文献１】特開２００４−１９７９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、温度成層を形成して貯湯する方式の貯湯槽１内で時間経過に伴ってできる、湯と水の間の中間的な温度の水（以降、中温水と呼ぶ）を中間出湯管９から抜くことにより、沸き上げ時の効率に悪影響を与える中温水を有効に利用するのであるが、うまく効果を得ようとすると、中温水が中間出湯管９の位置に比較的多くあるときに給湯負荷が発生しないといけない。給湯負荷のパターンによっては、中間出湯管９と中温水との位置関係が適切ではなく、効率向上に寄与しない場合が多いという課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯槽内の中温水の位置が異なっても、中温水による悪影響を抑え、高い効率が得られる給湯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯機は、貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続する構成としたことを特徴とするもので、沸き上げ時に貯湯槽内の湯を適切に撹拌し、効率を悪化させる中温水を大幅に減少させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、貯湯槽内の中温水の位置が異なっても、中温水による悪影響を抑え、高い効率が得られる給湯機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、貯湯槽と、前記貯湯槽の水を加熱する加熱手段と、前記加熱手段に前記貯湯槽内の湯水を前記貯湯槽の下部から供給する第一の配管と、前記加熱手段から加熱後
の湯を前記貯湯槽に戻す第二の配管とを備え、前記第二の配管は、流路切換手段を介して、前記貯湯槽の上部と略中間部とに接続する構成としたことを特徴とする給湯機で、沸き上げ時に効率低下の原因となる中温水を、沸き上げ運転開始当初に沸き上げた湯を利用して大幅に減少させることができるので、効率の高い運転状態を維持し、省エネルギー性が向上するという効果がある。
【００１０】
第２の発明は、特に第１の発明の給湯機に、貯湯槽の水温を検知する貯湯槽温検知手段と、制御手段とを備え、前記貯湯槽温検知手段の検知温度に基づいて、流路切換手段の動作を制御することを特徴とするもので、沸き上げ時に効率低下の原因となる中温水を、沸き上げ運転開始当初に沸き上げた湯を利用して大幅に減少させることができるので、効率の高い運転状態を維持し、省エネルギー性が向上するという効果がある。
【００１１】
第３の発明は、特に第２の発明の貯湯槽温検知手段を、貯湯槽の高さ方向の略中間部に設け、加熱手段で加熱された湯水の温度が、前記貯湯槽温検知手段で検知された温度よりも高い場合には、流路切換手段を第二の配管のうち前記貯湯槽の略中間部に接続された配管と連通させ、前記加熱手段で加熱された湯水の温度が、前記貯湯槽温検知手段で検知された温度以下の場合には、前記流路切換手段を第二の配管のうち前記貯湯槽の上部に接続された配管と連通させる構成としたことを特徴とするもので、第二の配管が接続された貯湯槽の上部と中間部との間で撹拌効果を得るようにし、部分的に貯湯槽内の湯温を下げるようになる動作を排除することで、効率に悪影響を与えることがない。
【００１２】
第４の発明は、特に第１〜第３のいずれかの発明の加熱手段を、ヒートポンプサイクルを用いた構成とすることにより、使用湯量の多いときだけ高温の沸き上げ温度として、できるだけ低い沸き上げ温度を適用できる結果、高効率の特性を最大限に引き出せる。
【００１３】
第５の発明は、特に、第４の発明のヒートポンプサイクルは、運転時、超臨界圧力に昇圧される超臨界冷媒回路であることを特徴とするもので、沸き上げ温度を高温にできるので、利用できる熱量の増大と湯切れ防止性を向上することができる。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における給湯機の構成を示す図である。
【００１６】
図１において、本発明の給湯機は、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット２と、このヒートポンプユニット２に加熱前の水を送出する前記貯湯槽１の下部に接続された第一の配管１１と、前記ヒートポンプユニット２から加熱後の水を前記貯湯槽１に戻す前記貯湯槽１の上部と略中間部に接続された第二の配管１２と、前記第二の配管１２の分岐部に設けられた流路切換手段としての三方弁１３と、第二の配管１２のうち前記貯湯槽１の略中間部に接続された配管の接続部位付近にあたる前記貯湯槽１の中間部付近の水温を検知する第一の貯湯槽温検知手段１４と、前記貯湯槽１の下部の水温を検知する第二の貯湯槽温検知手段１５と、前記貯湯槽温検知手段１４の出力に基づいて前記流路切換手段の制御を行う流路切換制御手段１６とから構成される。
【００１７】
以上のように構成された給湯機について、以下その動作、作用を説明する。
【００１８】
基本的な動作としては、沸き上げ前は貯湯槽１に低温の水が多く満たされており、運転を開始すると、沸き上げ用循環ポンプ１７によりヒートポンプ往き口１８から第一の配管１１を通じてヒートポンプユニット２に送出され、そこで加熱されて高温の湯が第二の配
管１２を通じて三方弁１３の流路に応じ、第一のヒートポンプ戻り口１９または第二のヒートポンプ戻り口２０から貯湯槽１に戻される。これによって貯湯槽１には高温の湯が貯えられていく。
【００１９】
沸き上げ後の給湯利用の際には、給湯口２１から貯湯槽１の高温の湯が送られ、この湯が給水管４からの給水と混合弁２２により混合され、設定温度に調節されて給湯栓２３から供給される。また、給湯に使用された湯量相当の水が給水管４を通じて貯湯槽１下部の給水口２４から流入する。
【００２０】
図２に動作のフローチャートを示す。
【００２１】
図２において、沸き上げ運転が開始されると（ステップ１）、流路切換制御手段１６は、ヒートポンプユニット２による沸き上げ温度と第一の貯湯槽温検知手段１４による貯湯槽１中間の温度とを比較し（ステップ２）、沸き上げ温度の方が高い場合は、流路が貯湯槽１の中間部と連通するように三方弁１３を制御する（ステップ３）。ステップ４では貯湯槽１下部の第二の貯湯槽温検知手段１５の検知温度が沸き上げ終了設定温に達するまで、ステップ２に戻る。ここで第一の貯湯槽温検知手段１４の検知温度が沸き上げ温度以上だと、流路が貯湯槽１上部と連通するように三方弁１３を切り換える（ステップ５）。その後、貯湯槽１下部の温度が終了設定温を上回ったら（ステップ４）、沸き上げを終了する（ステップ６）。なお、ヒートポンプユニットによる沸き上げ温度は、必要に応じて沸き上げ運転中に変更される。
【００２２】
図３はこの動作による貯湯槽１内の温度分布の変化を示す。それぞれの段階に分けて、図３（ａ）〜（ｃ）とし、貯湯槽１の高さ方向（縦軸）に対応する温度（横軸）を表す。
【００２３】
図３（ａ）は、沸き上げ前の貯湯槽１内の温度分布である。貯湯槽１上部には、前日沸き上げた湯が貯湯槽１の壁を通して放熱し温度低下して一部残っている。その下には給湯によって給水管５から流入した低温水と熱交換によって広がった中温水の層が温度勾配を持って存在する。
【００２４】
さらに貯湯槽１下部には、ほぼ給水と同温度の水がある。図３（ｂ）は、沸き上げを開始した後、貯湯槽１の中間部からの湯２６が流入する間の温度分布の変化である。貯湯槽１内の残湯よりも高温の湯が流入すると、浮力の作用で流入する位置から上の部分が撹拌され、２７のように、残湯と流入した高温の湯との平均的な温度で一様な分布となる。
【００２５】
この時点で、温度勾配を持つ中温水の層は解消する。その後、この貯湯槽１の上半分の温度は流入する高温の湯によって次第に上昇するが、同時に水の循環によって押し下げられるとともに上部の湯と下部の水との熱交換により、２８、２９に示すごとく、中温水の層が徐々に成長する。ただし、当初の中温水の層と比較すれば格段に小さい。
【００２６】
図３（ｃ）は、沸き上げ後、貯湯槽１の上部からの湯３０が流入する間の温度分布の変化である。貯湯槽１上部の温度が十分に上昇すると、ヒートポンプユニット２による沸き上げ温度を下げ、必要な熱量を確保できる最低限の温度とする。沸き上げ温度は第一の貯湯槽温検知手段１４による貯湯槽１中間部の温度以下となり、流路切換制御手段１６は三方弁１３を切り換えて、貯湯槽１の上部からヒートポンプユニット２で沸き上げた湯を流入させる。三方弁１３切り換え時点の温度分布２９の中温水量をほぼ維持したまま、貯湯槽１に湯が貯まっていく。
【００２７】
このように運転することによって、ヒートポンプ往き口１８からヒートポンプユニット２に流入する水温が終始給水と同程度の温度を保つことができるので、沸き上げ完了まで
効率の高い運転が可能となり、省エネルギー性に優れた給湯機を実現できる。
【００２８】
なお、ヒートポンプユニット２の冷凍サイクルは冷媒として二酸化炭素を用い、臨界圧を越える圧力で運転することが好ましい。二酸化炭素を冷媒として用いることで沸き上げ温度を高温にできるので、貯湯槽１内の湯温を自在に制御できる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
以上のように、本発明にかかる給湯機は、効率が高い状態での運転の割合を高めることができるので、前記したような家庭用の給湯機の貯湯槽に適用できるほか、熱源と貯湯槽を有するシステムにおいて業務用などの規模の大きい用途にも適用し、優れた省エネルギー性を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１における給湯機の構成図
【図２】同動作のフローチャート
【図３】（ａ）同沸き上げ前の貯湯槽内温度分布の変化を示した図（ｂ）同貯湯槽の中間部からの湯が流入する間の貯湯槽内温度分布の変化を示した図（ｃ）同貯湯槽の上部からの湯が流入する間の貯湯槽内温度分布の変化を示した図
【図４】従来の給湯機の構成図
【符号の説明】
【００３１】
１  貯湯槽
２  加熱手段（ヒートポンプユニット）
１１  第一の配管
１２  第二の配管
１３  流路切換手段（三方弁）
１４  第一の貯湯槽温検知手段
１６  流路切換制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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